Functional interactions between T and B lymphocytes are necessary for optimal activation of an immune response. Recently, the T lymphocyte receptor CD28 was shown to bind the B7 counter-receptor on activated B lymphocytes, and subsequently to costimulate interleukin 2 production and T cell proliferation. CTLA-4 is a predicted membrane receptor from cytotoxic T cells that is homologous to CD28 and whose gene maps to the same chromosomal band as the gene for CD28. It is not known, however, if CD28 and CTLA-4 also share functional properties. To investigate functional properties of CTLA-4, we have produced a soluble genetic fusion between the extracellular domain of CTLA-4 and an immunoglobulin C gamma chain. Here, we show that the fusion protein encoded by this construct, CTLA4Ig, bound specifically to B7-transfected Chinese hamster ovary cells and to lymphoblastoid cells. CTLA4Ig also immunoprecipitated B7 from cell surface 125I-labeled extracts of these cells. The avidity of 125I-labeled B7Ig fusion protein for immobilized CTLA4Ig was estimated (Kd approximately 12 nM). Finally, we show that CTLA4Ig was a potent inhibitor of in vitro immune responses dependent upon cellular interactions between T and B lymphocytes. These findings provide direct evidence that, like its structural homologue CD28, CTLA-4 is able to bind the B7 counter-receptor on activated B cells. Lymphocyte interactions involving the B7 counter-receptor are functionally important for alloantigen responses in vitro.

A successful immune response requires intercellular contact between T and B lymphocytes. We recently showed that CD28, a T cell surface protein that regulates an activation pathway, could mediate intercellular adhesion with activated B cells by interaction with the B7 antigen. Here we show that CD28 is the primary receptor for B7 on activated peripheral blood T cells, that CD28 binds to B7 in the absence of other accessory molecules, and that interaction between CD28 and B7 is costimulatory for T cell activation. To characterize the binding of CD28 to B7, we have produced genetic fusions of the extracellular portions of B7 and CD28, and immunoglobulin (Ig) C gamma 1 chains. 125I-labeled B7 Ig bound to CD28-transfected Chinese hamster ovary (CHO) cells, and to immobilized CD28 Ig with a Kd approximately 200 nM. B7 Ig also inhibited CD28-mediated cellular adhesion. The function of CD28-B7 interactions during T cell activation was investigated with soluble fusion proteins and with B7-transfected CHO cells. Immobilized B7 Ig and B7+ CHO cells costimulated T cell proliferation. Stimulation of T cells with B7+ CHO cells also specifically increased levels of interleukin 2 transcripts. These results demonstrate that the CD28 signaling pathway could be activated by B7, resulting in increased T cell cytokine production and T cell proliferation. Cellular interactions mediated by B7 and CD28 may represent an important component of the functional interactions between T and B lymphoid cells.

T cell costimulation by molecules on the antigen presenting cell (APC) is required for optimal T cell proliferation. The B7 molecule on APC binds the T lymphocyte receptor CD28, triggering increased interleukin 2 (IL-2) production and subsequent T cell proliferation. CTLA-4 is a predicted T cell membrane receptor homologous to CD28, which also binds the B7 counter receptor, but whose distribution and function are unknown. Here we have developed monoclonal antibodies (mAbs) specific for CTLA-4 and have investigated these questions. mAbs were produced that bound CTLA-4 but not CD28, and that blocked binding of CTLA-4 to B7. CTLA-4 expression as measured by these mAbs was virtually undetectable on resting T cells, but was increased several hundred-fold during T cell activation. On activated lymphocytes, CTLA-4 was expressed equally on CD4+ and CD8+ T cell subsets and was coexpressed with CD25, CD28, and CD45RO. CTLA-4 expression was lower than that of CD28, reaching a maximum of approximately 1/30-50 the level of CD28. Despite its lower expression, CTLA-4 was responsible for much of the B7 binding by large activated T cells. Anti-CTLA-4 mAb 11D4 and anti-CD28 mAb 9.3 acted cooperatively to inhibit T cell adhesion to B7, and to block T cell proliferation in primary mixed lymphocyte culture. When coimmobilized with anti T cell receptor (TCR) mAb, anti-CTLA-4 mAbs were less effective than anti-CD28 mAb 9.3 at costimulating proliferation of resting or activated T cells. However, coimmobilized combinations of anti-CD28 and anti-CTLA-4 were synergistic in their ability to augment anti-TCR-induced proliferation of preactivated CD4+ T cells. These results indicate that CTLA-4 is coexpressed with CD28 on activated T lymphocytes and cooperatively regulates T cell adhesion and activation by B7.

Abstract Optimal proliferation of T cells although initiated via ligation of the CD3/TCR complex requires additional stimulation resulting from adhesive interactions between costimulatory receptors (R) on T cells and their counter-R on APC. At least four distinct adhesion molecules (counter-R) present on APC, B7, ICAM-1 (CD54), LFA-3 (CD58), and VCAM-1 have been individually shown to costimulate T cell activation. Because some of these molecules may be expressed simultaneously on APC, it has been difficult to examine relative contributions of individual counter-R during the induction of T cell proliferation. We have produced soluble IgC gamma 1 fusion chimeras (receptor globulins or Rg) of B7, ICAM-1, LFA-3, and VCAM-1 and compared their relative abilities to costimulate proliferation of resting or Ag-primed CD4+ T cells. When co-immobilized with mAb directed at TCR alpha beta or CD3 but not CD2 or CD28, each Rg induced proliferation of both resting and Ag-primed CD4+ cells. In contrast, similarly co-immobilized CD7 Rg or ELAM-1 Rg were ineffective. Resting CD4+ T cells produced more IL-2, expressed significantly higher levels of IL-2R alpha, and proliferated more efficiently when costimulated with either ICAM-1 Rg or VCAM-1 Rg than with B7 Rg or LFA-3 Rg. CD4+ CD45RO+ memory T cells proliferated more vigorously in response to the costimulation by each of the four Rg than CD4+ CD45RA+ naive T cells. In contrast with the behavior of resting CD4+ T cells, proliferation of Ag-preactivated CD4+ T cells was most efficient when costimulated by B7 Rg. The costimulatory effect of LFA-3 Rg on Ag-primed CD4+ T cells was weaker than that of B7 Rg but was significantly greater than that of either ICAM-1 Rg or VCAM-1 Rg. These results suggest that resting and Ag-primed CD4+ T cells preferentially respond by proliferation to different costimulatory counter-R. ICAM-1 and VCAM-1 may be involved in the initiation of proliferation of Ag-responsive T cells, and B7 and LFA-3 may facilitate sustained proliferation of Ag-primed T cells. The cumulative costimulation by the above counter-R may facilitate optimal expression of various regulatory and effector functions of T cells.